原位透射電子顯微鏡（TEM）能夠以超高的空間分辨率觀察微觀動態過程，而微機電系統(MEMS)則進一步將多種環境刺激高效集成到TEM樣品中，二者的結合，使原位透射電子顯微鏡表征技術取得了長足的進步。其中，原位加熱技術備受關注。傳統的MEMS加熱芯片，利用沉積在電子透明的懸空窗口（一般為氮化硅）上的金屬電阻絲實現原位加熱。但因為窗口材料與金屬絲的熱膨脹系數不同，芯片觀察窗口會在加熱過程中產生顯著形變，導致成像失焦，影響動態觀測，是該領域亟待解決的關鍵科學技術問題。低維材料獨特的結構和物理性能將為原位透射電子顯微鏡表征技術的發展和問題的解決提供新的可能。

　　最近清華大學物理系低維量子物理國家重點實驗室博士生趙潔、納米中心梁倞在導師范守善院士和魏洋副研究員、李群慶教授的指導下，發展了可用于原位TEM的石墨烯微加熱芯片。他們將二維石墨烯材料代替傳統的金屬電阻加熱器，大幅提升了原位加熱芯片的性能。該加熱芯片可在26.31 ms內加熱至800 ℃，功耗僅為0.025 mW/1000 μm2。同時，在加熱至650℃時，芯片因加熱產生的形變僅約為50 nm，相比傳統的金屬加熱芯片，該形變降低了約兩個數量級，有效解決了在加熱過程中芯片觀察窗口因受熱形變引發的失焦問題。石墨烯薄膜與懸空氮化硅窗口的結合不僅減小了器件整體的熱容，同時也因為石墨烯表面無懸掛鍵，石墨烯與氮化硅之間為范德瓦爾斯接觸，界面作用力較弱，改善了因熱膨脹系數不匹配導致的加熱變形問題。因此，得益于石墨烯的引入，該芯片升溫快、功耗低且高溫變形小。這項工作為石墨烯的芯片級應用和原位TEM表征技術開辟了新的發展方向。

圖1 (a)石墨烯微加熱芯片器件結構示意圖；(b) TEM原位加熱示意圖；(c) 微加熱芯片加熱至300 ℃的紅外熱像

　　這項研究成果以 “Graphene Microheater Chips for In Situ TEM” 為題發表在國際著名學術期刊Nano Letters上。清華大學物理系魏洋副研究員和李群慶教授為該文的通訊作者，清華大學物理系博士生趙潔、納米中心梁倞為文章的第一作者。該項工作得到科技部（2018YFA0208401， 2017YFA0205803）、國家自然科學基金（61774090， 51727805）、廣東省重點領域研發計劃（2020B010169001）和清華-富士康納米科技研究中心的支持。

　　全文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c03510